IBM 과학자들이 절연체에 있는 단일 분자의 에너지 수준을 측정합니다.

샤디 파타이어 , IBM Research의 pre-doc이자 논문의 첫 번째 저자

단일 분자 전자 제품에 대한 우리의 이해가 더 명확해졌고 일반적인 가정 용품인 소금을 사용하는 것과 관련된 답이 나왔습니다.

2009년 IBM 과학자들과 협력자들이 비접촉 원자간력현미경(AFM)을 사용하여 개별 원자의 전하 상태를 측정할 수 있는 능력을 시연한 이전 논문에 이어, 그들은 이제 한 단계 더 나아가 단일 분자의 에너지 준위를 측정하게 되었습니다. 절연체, 처음으로. 이 연구는 오늘 피어 리뷰 저널 Nature Nanotechnology에 실렸습니다. .

1980년대 중반에 발명된 원자력 현미경은 지지대에 있는 분자와 같이 팁과 샘플 사이의 작은 힘을 측정합니다. 팁은 전례 없는 분해능으로 분자를 이미지화하고 이전에는 볼 수 없었던 분자 반응을 유발할 수 있는 다목적 정밀 기기입니다.

전자 제품 확장

밀도 기능 NaCl(5 ML)에 대한 나프탈로시아닌의 이론 분석. NPc+와 NPc0 사이의 계산된 전하 밀도 차이의 2D 등고선 플롯은 분자 geo+ geo+ 평면에서 진공 영역으로 바깥쪽으로 통합됩니다. (제공:네이처 나노테크놀로지)

PC나 디지털 알람 시계와 같은 모든 유형의 전자 장치를 열어본 적이 있다면 인쇄 회로 기판(PCB)으로 알려진 것을 발견했을 것입니다. 이러한 일반적으로 그린 ​​보드는 전도 트랙으로 알려진 것을 포함하여 장치의 모든 전자 부품을 보여주는 지도처럼 보입니다. 이 트랙은 장치가 작동할 수 있도록 전체 보드에 걸쳐 철도 트랙과 같은 전류를 전달합니다. 보드에는 전류 누출로부터 트랙을 보호하는 절연층이 포함되어 있습니다. 이러한 레이어가 없으면 작은 전자 장치도 작동하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.

동일한 PC 또는 시계의 기본 빌딩 블록을 평가할 때 분자 전자공학에서는 전도성 트랙과 분자에서 단일 전자가 전달되는 것과 같은 단일 분자와 유사한 설정을 볼 수 있습니다. 절연 층이 PCB에 도움이 되는 반면, 이 규모에서 유사한 기본 절연 기판은 고려해야 할 추가 효과가 있습니다.

“분자를 절연체에 충전하는 동안 분자의 원자는 이 추가 전하를 수용하는 방향으로 이완되며 중요하게는 절연체의 핵도 마찬가지입니다. 분자가 절연체 위에 있기 때문에 이러한 시스템의 전자적 특성화는 매우 어렵습니다.” IBM Research의 pre-doc이자 이 논문의 첫 번째 저자인 Shadi Fatayer는 말했습니다.

그는 “이러한 원자 위치의 변화는 에너지 준위에 영향을 미치며, 이는 분자 사이에 단일 전자를 전달하는 측면에서 과감한 영향을 미칩니다. 전자의 이동 속도는 몇 배의 크기로 다양하게 조정될 수 있습니다.”

애니메이션을 보려면 클릭하세요.

IBM, 리버풀 대학교, 찰머스 대학교, 레겐스부르크 대학교의 과학자 팀은 이 문제를 해결하기 위해 다른 접근 방식을 시도했습니다.

그들은 먼저 금속 기판 위에 절연 재료로 사용되는 염화나트륨 또는 염으로도 알려진 다층의 NaCl을 성장시켰습니다. 이러한 시스템은 상단에 흡수된 분자가 전하 상태를 안정적으로 유지하고 금속 표면에서 분리되도록 합니다.

그런 다음 팀은 "재편성 에너지를 어떻게 측정합니까?"라고 생각했습니다. 실험적으로는 용액 속의 분자, 금속 위에 분자가 있는 상태로 수행되지만, 지금까지는 절연체 위의 개별 분자를 조사할 수 있는 기술이 없었습니다.

그들의 독특한 접근 방식은 AFM과 단일 전자를 사용하는 것입니다. 단일 전자는 양방향으로 정의된 두 전하 상태의 전하 상태 전이를 조사하는 데 사용됩니다. 실험에서 과학자들은 단일 나프탈로시아닌 분자에 대한 방법을 테스트합니다.

IBM 연구원 연구실에 있는 Shadi Fatayer, Leo Gross 및 Gerhard Meyer.

이전에 발표된 바와 같이 저자들은 원자현미경을 사용하여 단일 전자 감도를 가진 초박형 절연체 위에 있는 다양한 전하 상태를 안정적으로 측정할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 그들은 또한 최근에 안정적으로 하전된 분자의 이미징과 더 두꺼운 절연체 위에 있는 분자 사이에 단일 전자를 전달하는 것을 시연했습니다. 그러나 재구성 에너지를 측정할 수 있으려면 특정 충전 상태 전이에 해당하는 에너지 수준을 측정해야 합니다.

“이 작업 이전에 우리는 분자를 통해 전류를 측정하는 방법을 알고 있었습니다. 그러나 이것은 주어진 궤도에 대해 한 방향으로만 작동했습니다. 우리가 특정 오비탈에 전자를 붙이기 위한 에너지를 측정할 수 있을 때, 우리는 그 오비탈에서 하나의 전자를 제거하기 위한 에너지를 측정할 수 없으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 양방향으로 측정할 수 있는 기능이 누락되었습니다.”라고 IBM 물리학자 Leo Gross가 말했습니다. “AFM 방법을 사용하여 박막 기판에서 두 전하 상태 변화 방향의 에너지 레벨을 측정합니다. 그러나 매우 약한 신호를 처리하는 작업은 매우 까다로운 작업이므로 적절한 통계 분석을 수행하려면 많은 신중한 측정이 필요합니다."

그는 "이 새로운 방법을 사용하여 팁과 팁에 가해지는 힘을 사용하여 단일 전자를 계산합니다. 우리는 팁 높이와 전압을 조정한 다음 하나의 전자가 팁으로 이동하는 데 걸리는 시간을 계산하고 이를 통해 에너지 수준을 얻을 수 있습니다."

"가장 큰 문제는 터널링 이벤트를 적절하게 측정하기 위해 팁이 평소보다 멀리 떨어져 있다는 점이었습니다."라고 Fatayer는 덧붙입니다. “우리가 측정한 매우 약한 힘은 젭토 암페어 단위의 전류와 관련이 있습니다. 즉 10에서 마이너스 21(10 ^{− 21} ). 대부분의 물리학자들은 이 접두사를 사용할 필요가 없지만 몇 초마다 하나의 전자를 측정하여 사용합니다. 우리는 말 그대로 AFM을 단일 전자 전류 측정기로 사용합니다.”

이것은 매우 기본적인 연구이지만 응용 프로그램은 전자 장치에서 칩의 결함 특성화, 광전지 및 유기 반도체에 이르기까지 다양합니다.

원자력 현미경으로 측정한 절연체에 단일 분자를 충전할 때의 재구성 에너지, Shadi Fatayer, Bruno Schuler, Wolfram Steurer, Ivan Scivetti, Jascha Repp, Leo Gross, Mats Persson 및 Gerhard Meyer, DOI:10.1038/s41565-018-0087-1